邵 蒙，李洪文，王建立，楊樂強，姚凱男，鄧永停

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引言

自適應(yīng)光學(xué)是一門集合了光學(xué)、電子學(xué)、機械學(xué)和控制學(xué)等多種學(xué)科的新興技術(shù)。它能夠主動補償大氣擾動，已成為大口徑地基望遠鏡高分辨率成像的重要手段［1］。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)主要通過波前傳感器、波前校正器、波前控制器和高壓驅(qū)動系統(tǒng)等裝置來完成大氣擾動補償。隨著望遠鏡口徑的增大，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的規(guī)模（波前子孔徑數(shù)和波前校正器單元數(shù)）也在不斷的擴大［2］。目前，國內(nèi)的大口徑高分辨成像望遠鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)已達到千單元量級。這對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的開發(fā)研制、控制方法和電控集成等方法帶來了新的挑戰(zhàn)。

目前，國外研制團隊在大口徑天文觀測的自適應(yīng)光學(xué)成像領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。Hale，VLT，LBT，MMT，以及未來TMT，ELT 等望遠鏡均采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)［3-8］。從大口徑自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)方向來看，法國CILAS 公司研制的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)達到5 000 余單元規(guī)模，處于國際領(lǐng)先水平［8］。

我國的天文望遠鏡自適應(yīng)光學(xué)高分辨力成像技術(shù)也處于蓬勃發(fā)展階段。在波前校正器研制方面，陳俊杰、林旭東等［9-10］分析比較了各類型變形鏡的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式和性能，論述國內(nèi)變形鏡技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；然后，林旭東等報道了137 單元和961 單元壓電變形鏡的研制工作［11-12］。

在波前控制器研制方面，文獻［13］-［15］分別報道了349 單元和961 單元波前處理器的研制工作。文獻［16］-［18］報道了基于GPU 并行計算的自適應(yīng)光學(xué)波前控制方法。文獻［19］報道了一種桌面97 單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的性能測試情況。

在控制方法方面，文獻［20］對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的魯棒性控制技術(shù)開展研究，期望同時提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和校正性能。文獻［21］基于變量帶誤差模型的子空間辨識方法，建立了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，以提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性。

在高壓放大器電路設(shè)計方面，文獻［22］設(shè)計了一種基于分立功率元件的壓電陶瓷驅(qū)動器線性放大電路。文獻［23］設(shè)計了一種解耦補償壓電陶瓷驅(qū)動器，以減少驅(qū)動電路的非線性滯后。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)壓電變形鏡的物理驅(qū)動裝置——高壓驅(qū)動系統(tǒng)，隨著自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大和觀測需求的不斷提高，其設(shè)計和開發(fā)難度也不斷提升，主要體現(xiàn)在高壓驅(qū)動系統(tǒng)規(guī)模龐大、驅(qū)動信號精度要求高、響應(yīng)速度快、驅(qū)動電壓高、功耗大等。同時在研制時需要兼顧高壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)與性能、體積，系統(tǒng)元器件和功耗、成本，系統(tǒng)布局布線與可靠性、實用性等。該系統(tǒng)的開發(fā)往往需要從小規(guī)模系統(tǒng)經(jīng)研制和使用反復(fù)迭代。但目前針對自適應(yīng)光學(xué)高壓驅(qū)動系統(tǒng)的研制和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的集成方面的報道卻較少。本文主要討論了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的驅(qū)動集成，尤其是高壓驅(qū)動系統(tǒng)的研制和測試問題，并從自動控制角度分析自適應(yīng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)等效模型對控制性能的影響，從而完成高壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。

2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的組成

根據(jù)光學(xué)衍射理論，望遠鏡的衍射極限下理論角分辨率θ為：

其中：λ為波長，D為望遠鏡口徑。為了提高光電望遠鏡的角分辨率，需要進一步增大望遠鏡的口徑。但是大氣湍流會使光波的位相和振幅發(fā)生畸變，使得望遠鏡的成像質(zhì)量變差。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以實時地測量并補償畸變的光學(xué)位相波前，改善光波品質(zhì)，提升成像質(zhì)量。

典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)主要由波前傳感器、波前校正器、波前控制器和高壓驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。其中，高壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由多通道DA 轉(zhuǎn)換卡和高壓放大器等裝置組成。波前傳感器主要用于實時探測動態(tài)波前誤差。波前控制器將根據(jù)波前傳感器測量得到的波前誤差，經(jīng)過控制運算后得到波前校正的電壓控制量。高壓驅(qū)動系統(tǒng)接收波前控制器輸出的數(shù)字形式的電壓控制量，經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換和高壓放大，輸出功率驅(qū)動信號作用于波前校正器。波前校正器受高壓放大器驅(qū)動進行波前校正，波前傳感器繼續(xù)進行波前誤差實時探測，最終完成閉環(huán)控制，提升成像質(zhì)量［7］。

圖1 典型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of typical adaptive optics system

2.1 波前校正器

波前校正器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，不僅要有足夠大的行程及足夠數(shù)量的執(zhí)行單元數(shù)，還要具有較高的快速響應(yīng)能力以滿足對大氣擾動實時校正的要求。

根據(jù)自適應(yīng)系統(tǒng)的空間采樣分布與系統(tǒng)等效斯特列爾比的關(guān)系［15］，波前校正器的執(zhí)行單元數(shù)量可估計為：

其中r0為大氣相干長度。對于4 m 口徑的望遠鏡，若r0=10 cm，波前校正器的執(zhí)行元件單元數(shù)量約為1 600；若r0=15 cm，波前校正器的執(zhí)行元件單元數(shù)量約為710［14］。因此，4 m 口徑光電望遠鏡系統(tǒng)的自適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模在千單元量級。

波前校正器的行程也會隨著望遠鏡口徑的增大而增大［24］，即有：

其中L為系數(shù)。波前校正器行程的增大意味著壓電陶瓷需要更多的疊層，從而增大了高壓放大器負載的等效容值，這對系統(tǒng)驅(qū)動端高壓放大器的驅(qū)動能力提出更高的要求。

961 單元變形鏡采用分離促動器連續(xù)鏡面結(jié)構(gòu)［12］，促動器采用壓電陶瓷（PZT）促動器變形鏡在單個促動器作用下的最大面形校正量為±2.5 μm。

2.2 波前傳感器

目前，波前傳感器主要有棱錐波前傳感器、剪切干涉儀和夏克-哈特曼（Shack Hartmann，SH）波前傳感器等。其中，SH 波前傳感器在天文望遠鏡中的應(yīng)用最廣泛［1］。SH 波前傳感器通常由子透鏡陣列和高速CCD 探測器兩個部分構(gòu)成。波前經(jīng)子透鏡陣列分束后聚焦到CCD 探測器上，經(jīng)過計算質(zhì)心偏移量及波前復(fù)原算法可以得到誤差向量。其采樣頻率和讀出方式在很大程度上決定了系統(tǒng)的控制帶寬。

2.3 波前控制器

波前處理器的任務(wù)是將傳感器探測到的具體畸變信息，經(jīng)過控制運算轉(zhuǎn)換為可以作用于校正器的電壓信號。由于轉(zhuǎn)換過程涉及大規(guī)模的數(shù)據(jù)運算，因此是整個自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的運算核心部分。傳感器采樣頻率不變時，系統(tǒng)的運算延時直接關(guān)系到控制帶寬。

3 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)路模型和分析

在高分辨率成像領(lǐng)域，自適光學(xué)系統(tǒng)的采樣頻率只有達到1 000～2 000 Hz，才能保證波前校正控制帶寬在100 Hz 以上［14］。

典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)路框圖如圖2所示，其主要環(huán)節(jié)將由波前傳感器、波前控制器、DA 板卡、高壓放大器和壓電變形鏡組成。

圖2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)路框圖Fig.2 Control loop block diagram of adaptive optics system

根據(jù)系統(tǒng)控制環(huán)路框圖，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：

由于變形鏡傳遞函數(shù)的閉環(huán)帶寬遠大于系統(tǒng)帶寬，分析時將它等效為一個比例增益環(huán)節(jié)。因此，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)可以近似表示為：

其中：KAO=為系統(tǒng)開環(huán)增益，τ=為系統(tǒng)開環(huán)等效延時。如圖3 所示，首先模擬2 kHz 波前傳感器的采樣頻率，500 μs 系統(tǒng)延時，高壓放大器的閉環(huán)帶寬為5 kHz 時，通過調(diào)整積分環(huán)節(jié)增益Ki，獲得一組閉環(huán)頻率特性曲線，隨著系統(tǒng)延時增加到1 000 μs，或者波前傳感器采樣頻率下降到1 kHz，由于延時作用增大了系統(tǒng)的相位滯后，降低了系統(tǒng)的開環(huán)相位裕度，系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)可能會不穩(wěn)定或時域響應(yīng)變慢。

圖3 控制環(huán)路閉環(huán)頻率特性曲線Fig.3 Closed loop frequency characteristic curves of control loop

從自動控制角度來看，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是一個受純延時限制的控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)閉環(huán)帶寬主要由其等效保持器的采樣周期和系統(tǒng)延時決定。

為了保證自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)穩(wěn)定，需要重點考慮系統(tǒng)延時對系統(tǒng)相角滯后的影響。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的相頻特性為：

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的相位裕度γ可以表示為：

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)計控制環(huán)節(jié)的開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕度為60°。根據(jù)式（8）可以計算系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率ωc。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的幅頻特性可以表示為：

令式（9）等于零，并將根據(jù)式（8）求得的開環(huán)截止頻率ωc帶入可以得到：

其中：KAOc為對應(yīng)控制環(huán)節(jié)開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕度為60°時系統(tǒng)的增益，在其他增益已知的情況下即可獲得積分環(huán)節(jié)增益Ki。

仿真中，令系統(tǒng)采樣和保持環(huán)節(jié)的等效延時為1 000 μs，計算和傳輸延時從500 μs 擴大到1 000 μs（100 μs 步進），得到系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線，如圖4 所示。

圖4 控制環(huán)路開環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性曲線Fig.4 Frequency characteristic curves of open loop transfer function of control loop

系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為H(s)=，得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性曲線，如圖5所示。系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)為E(s)=，得到系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)的頻率特性曲線，如圖6 所示。

圖5 控制環(huán)路閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性曲線Fig.5 Frequency characteristic curves of closed-loop transfer function of control loop

圖6 控制環(huán)路誤差傳遞函數(shù)的頻率特性曲線Fig.6 Frequency characteristic curves of control loop error transfer function

分析結(jié)果表明，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器曝光時間和幀頻確定的情況下，應(yīng)盡力縮短波前處理器的計算時間和電控系統(tǒng)的信號傳輸延時，并在高壓放大器系統(tǒng)允許的情況下，盡量縮短數(shù)模轉(zhuǎn)換時間，并減小高壓放大器的響應(yīng)時間，即一定程度上提高高壓放大器的閉環(huán)帶寬。

4 高壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

4.1 DA 轉(zhuǎn)換板卡

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的高壓驅(qū)動系統(tǒng)是實現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)校正的物理驅(qū)動環(huán)節(jié)，其控制性能對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)功能實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。高壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由DA 轉(zhuǎn)換卡和高壓放大器等部件組成。

DA 轉(zhuǎn)換板卡通過網(wǎng)絡(luò)交換機接收波前控制器輸出的校正電壓數(shù)字控制量，經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，將模擬量信號輸送到高壓放大器完成高壓驅(qū)動。DA 轉(zhuǎn)換板卡在控制環(huán)節(jié)中可以等效為一個零階保持器和一個較小的延時環(huán)節(jié)。根據(jù)前文分析，為了使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)獲得更好的校正性能，DA 轉(zhuǎn)換板卡應(yīng)選用高速嵌入式處理芯片和高速低延時DA 轉(zhuǎn)換芯片，以減小傳輸和等效延時。

DA 轉(zhuǎn)換板卡主要由現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。FPGA 采用Xilinx 的Virtex-5 系列，系統(tǒng)最高工作時鐘達到500 MHz。DA 芯片采用AD5370，它具有40 通道16 位-4～8 V 的模 擬輸出，建立時間不超過30 μs。FPGA 與DA 芯片之間采用SPI 總線通信，最高通信時鐘可達50 MHz，以滿足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)高速閉環(huán)校正的需求。DA 芯片各通道模擬量將通過高密度輸出接口對外連接，經(jīng)過合理的PCB布局一塊DA 轉(zhuǎn)換板卡可實現(xiàn)240 通道的模擬量輸出控制。

4.2 高壓放大器閉環(huán)帶寬分析

高壓放大器可以看作一個能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將小幅值模擬信號放大為功率驅(qū)動信號，完成對波前校正器的高速高精度驅(qū)動。這里仍然從電控集成和自動控制角度對高壓放大器的設(shè)計進行分析。

為了得到高壓放大器性能對自適應(yīng)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的影響，應(yīng)該考慮高壓放大器閉環(huán)帶寬f1和自適應(yīng)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)閉環(huán)帶寬和誤差帶寬的關(guān)系。系統(tǒng)閉環(huán)帶寬與系統(tǒng)開環(huán)截止頻率正相關(guān)。為了更加直觀，利用系統(tǒng)開環(huán)截止頻率與高壓放大器閉環(huán)帶寬的關(guān)系說明高壓放大器閉環(huán)帶寬對自適應(yīng)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的影響。理想情況下，假設(shè)高壓放大器為一個比例放大環(huán)節(jié)KAMP，設(shè)定系統(tǒng)的開環(huán)相位裕度為60°，且系統(tǒng)延時為500 μs，分別設(shè)定波前傳感器的采樣頻率為2 kHz和1 kHz，利用式（10）計算系統(tǒng)理想的開環(huán)截止頻率。仿真中將高壓放大器等效為，令其閉環(huán)帶寬從1 000 Hz 擴大到6 000 Hz（1 000 Hz 步進）。仿真分析結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖8 1 kHz 采樣時高壓放大器閉環(huán)帶寬的影響曲線Fig.8 Influence analysis curves of closed-loop bandwidth of high voltage amplifier during 1 kHz sampling

仿真結(jié)果表明，隨著高壓放大器閉環(huán)帶寬的增大，系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率越來越接近理想的開環(huán)截止頻率，當(dāng)高壓放大器閉環(huán)帶寬大于3 000 Hz 時，增益誤差已經(jīng)小于1%。理論上提高高壓放大器的閉環(huán)帶寬能夠提高自適應(yīng)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)對誤差的抑制能力。實際上，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，避免高頻噪聲的影響，同時考慮高壓放大器對容性負載驅(qū)動能力的限制，高壓放大器閉環(huán)帶寬過大會增大系統(tǒng)的尺寸和功耗，因此，高壓放大器的閉環(huán)帶寬設(shè)計在3 000～5 000 Hz，能夠滿足工程需求［25］。

4.3 高壓放大器設(shè)計

已知變形鏡壓電陶瓷的最大驅(qū)動電壓為120 V，壓電陶瓷的等效容值CL約為0.3 μF，按照前文分析，高壓放大器輸出的閉環(huán)帶寬設(shè)為5 000 Hz，輸出信號的響應(yīng)時間Tp小于100 μs。若保證高壓放大器能夠輸出5 000 Hz 的交流信號，高壓放大器的最大輸出電流為：

計算電路響應(yīng)階躍信號輸出電流至少為：

本文所述的高壓驅(qū)動系統(tǒng)采用的功率放大電路采用基于高速低壓運算放大器和率器件構(gòu)成兩級放大結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)布局、驅(qū)動能力和功耗尺寸在千單元級自適應(yīng)系統(tǒng)中具有更大優(yōu)勢。圖9 所示為高壓放大器兩級放大結(jié)構(gòu)框圖。

圖9 高壓放大器的兩級放大結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Block diagram of two-stage amplification structure of high voltage amplifier

反饋通道由電阻R1和R2構(gòu)成，電路的放大倍數(shù)F為。放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)在低頻段可以表示為：

電路的反饋增益β為放大倍數(shù)的倒數(shù)，因此放大電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：

放大電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)在低頻段的增益ACC可以表示為：

電路中加入由R3，R4和C1構(gòu)成的校正環(huán)節(jié)，用以降低該級的高頻增益，避免振蕩，同時保證電路中頻段相角裕度。DA 板卡的輸出為0～5 V，設(shè)計電路的放大倍數(shù)為24，可以實現(xiàn)120 V 的電壓輸出。

5 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)電控集成

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)電控部分集成框圖如圖10所示。其電控部分主要包括控制計算機、GPU矩陣乘法處理計算機、終端成像相機、波前傳感器相機、千兆網(wǎng)絡(luò)交換機、DA 轉(zhuǎn)換卡機箱、高壓放大器機柜、可編程穩(wěn)壓電源和壓電變形鏡等裝置。其中，波前傳感器相機通過Cameralink接口完成圖像采集卡之間的互聯(lián)，一路信號送給主控計算機實現(xiàn)軟件界面顯示，一路信號送給GPU 處理計算機。GPU 處理計算機在系統(tǒng)中負責(zé)大規(guī)模的矩陣乘法并行計算，在完成控制運算后，將得到的校正電壓控制量數(shù)字信號輸出到千兆網(wǎng)絡(luò)交換機上。千兆網(wǎng)絡(luò)交換機通過網(wǎng)口將校正電壓控制量的數(shù)字信號發(fā)送給DA 轉(zhuǎn)換卡機箱，一個DA 轉(zhuǎn)換卡機箱可以實現(xiàn)480 通道的模擬量輸出，3 個DA 轉(zhuǎn)換卡機箱可以實現(xiàn)千單元級壓電變形鏡的驅(qū)動。一個DA轉(zhuǎn)換卡機箱和一組放大器機箱及其供電機箱集成在一個控制機柜中組成高壓放大系統(tǒng)，由供電機箱中的可編程穩(wěn)壓電源對高壓放大器進行功率端供電。本文所述的千單元級高壓放大系統(tǒng)由3 個控制機柜組成。高壓放大系統(tǒng)的功率輸出信號通過專業(yè)定制線纜與壓電變形鏡連接。

圖10 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)電控部分集成框圖Fig.10 Integrated block diagram of electric control part of adaptive optics system

高壓放大系統(tǒng)的高壓放大器機箱實物如圖11 所示。千單元級自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的高壓放大系統(tǒng)實驗樣機布局如圖12 所示。

圖11 高壓放大器機箱實物Fig.11 Physical drawing of high voltage amplifier cabinet

圖12 高壓放大系統(tǒng)實驗樣機布局Fig.12 Physical layout of experimental prototype of high voltage amplification system

6 實驗與結(jié)果

為了驗證所設(shè)計的高壓放大系統(tǒng)集成后的性能，采用集成驅(qū)動線纜和0.33 μF 電容模擬壓電陶瓷，利用信號發(fā)生器作為放大器模擬源進行動態(tài)測試。令高壓放大器跟蹤輸出5 000 Hz正弦信號的驅(qū)動能力效果，如圖13 所示。通過圖13 可以看到，高壓放大器在響應(yīng)頻率為5 000 Hz 的輸入信號時輸出信號峰峰值為84.84 V 左右，輸出衰減不超過-3 dB，滿足設(shè)計要求。

圖13 高壓放大器正弦波信號響應(yīng)曲線Fig.13 Sine wave signal response curves of high voltage amplifier

然后測試放大器的上升時間，結(jié)果如圖14 所示。測試結(jié)果顯示，放大器輸出信號的上升時間（90%穩(wěn)態(tài)）小于100 μs，滿足設(shè)計要求。

圖14 高壓放大器放大信號的上升響應(yīng)曲線Fig.14 Amplified signal rising response curve of high voltage amplifier

利用DA 轉(zhuǎn)換器作為放大器模擬源進行高壓放大系統(tǒng)驅(qū)動鏈路測試，結(jié)果如圖15 所示。

圖15 DA 轉(zhuǎn)換器為模擬源的高壓放大器響應(yīng)曲線Fig.15 Response curve of high voltage amplifier with DA converter as analog source

最終所設(shè)計的高壓放大系統(tǒng)經(jīng)過組網(wǎng)集成后，在某型千單元級壓電變形鏡系統(tǒng)上進行驗證。本系統(tǒng)采用961 單元變形鏡，其有效光瞳口徑為235 mm。變形鏡采用PZT 型壓電陶瓷促動器，單個促動器行程為5 μm，促動器間距為7 mm，呈矩形排布方式。所使用的SH 波前傳感器的有效子孔徑數(shù)為1 020，波前傳感器相機采用FirstLight 公司Ocam2相機，相機靶面分辨率為240×240，像元尺寸為24 μm，最高采樣幀頻可達2 000 Hz。SH 波前傳感器的微透鏡陣列排布為37×37，單個微透鏡口徑為200 μm，焦距為7 mm［18］。

利用桌面自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對壓電變形鏡進行靜態(tài)校正實驗，得到系統(tǒng)校正前后的遠場光斑圖像如圖16 所示?？梢钥闯?，校正前遠場光斑圖像的灰度值峰值為3 347，校正后的遠場光斑圖像灰度值峰值為45 876，遠場光斑的能量集中度明顯提高。

圖16 校正前（左）校正后（右）的光源成像效果對比Fig.16 Contrast of light source imaging effect before（left）and after（right）aberration correction

利用湍流模擬器進行自適應(yīng)光學(xué)動態(tài)像差校正實驗，湍流模擬器等效模擬的大氣相干長度為11 cm，等效模擬的格林伍德頻率為60 Hz。為驗證組網(wǎng)后高壓放大器的動態(tài)驅(qū)動性能，使用壓電變形鏡進行所有像差的校正。按照文獻［18］的動態(tài)像差測試方法，系統(tǒng)高階像差均方根值校正前后的功率譜變化如圖17 所示，由圖可以看出，系統(tǒng)的0 dB 誤差抑制帶寬可以達到100 Hz。

圖17 校正前后系統(tǒng)波前殘差功率譜Fig.17 Power spectra density of residual wavefront error before and after correction

系統(tǒng)入射的波前高階像差均方根值校正前后的變化如圖18 所示，校正前系統(tǒng)入射波前為0.5λ～1.3λ（λ=600 nm），均值為0.83λ，校正后系統(tǒng)的波前殘差明顯降低，校正后的波前殘差均值為0.16λ，約為100 nm。因此，本文分析和設(shè)計的高壓放大系統(tǒng)可以滿足千單元變形鏡的高動態(tài)驅(qū)動性能要求。

圖18 校正前后系統(tǒng)的波前殘差曲線Fig.18 Residual wavefront error before and after correction

7 結(jié)論

本文完成了千單元自適應(yīng)光學(xué)高壓驅(qū)動系統(tǒng)的集成和測試工作，從自動控制角度分析了電控系統(tǒng)延時和放大器系統(tǒng)閉環(huán)帶寬對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)性能的影響，并設(shè)計了千單元自適應(yīng)光學(xué)高壓放大系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)千單元量級的高速校正信號高壓驅(qū)動，放大器-3 dB 帶寬達到5 000 Hz。系統(tǒng)完成集成組網(wǎng)后進行靜態(tài)和動態(tài)校正測試，實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的千單元高壓放大系統(tǒng)能夠滿足千單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。